【正文】 基于 LabVIEW 軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)的濾波器足以實(shí)現(xiàn)濾波器的功能，且這樣的虛擬濾波器較硬件配置的濾波器而言具有制作簡(jiǎn)單、成本低、應(yīng)用靈活、系統(tǒng)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),可見(jiàn)虛擬儀器的發(fā)展具有很廣闊的前。這是一款純軟件的數(shù)字濾波器，該設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn)： 將數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)原理與 LabVIEW 軟件相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了虛擬數(shù)字濾波 器。 比較低通濾波器和高通濾波器的濾波效果：兩者都能很好的濾除干擾信號(hào)，相比之下，高通濾波器對(duì)信號(hào)的濾波效果要好于低通濾波器，高通濾波器濾波后干擾信號(hào)衰減幅度更大。 低通濾波器與高通濾波器：兩個(gè)濾波器的幅頻特性也相反，低通濾波器濾除高頻干擾信號(hào)，高通濾波器濾除低頻干擾信號(hào)，相同點(diǎn)是都有低截止頻率，高截止頻率無(wú)效。 ④、帶阻濾波器：最佳參數(shù)為階次 低截止頻率 29Hz、高截止頻率31Hz。 ②、低通濾波器：最佳參數(shù)為階次 1低截止頻率 70Hz、高截止頻率無(wú)效。 濾波器參數(shù)修改前后，當(dāng)被測(cè)信號(hào)為“有用信號(hào)幅值”=2V、“有用信號(hào)頻率”=50Hz、“有用信號(hào)相位”=0、“正弦干擾信號(hào)幅值”=2V、“ 正弦干擾信號(hào)頻率”=30Hz、“正弦干擾信號(hào)相位”=0、“白噪聲幅值”=0 時(shí)，比較“濾波效果演示圖” ，“濾波前和濾波后信號(hào)幅頻特性圖以及消噪前后的信噪比和失真度，可以看出，西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）38修改參數(shù)后的濾波器濾波效果較差，參數(shù)修改前消噪后的信噪比為 ，參數(shù)修改后消噪后的信噪比為 。 3)修改濾波器的參數(shù)，觀察其濾波效果： 修改濾波器的參數(shù)為“濾波器階數(shù)”=10，設(shè)置被測(cè)信號(hào)： “有用信號(hào)幅值”=2V、“有用信號(hào)頻率 ”=50Hz、“有用信號(hào)相位”=0、“ 正弦干擾信號(hào)幅值”=2V、“正弦干擾信號(hào)頻率”=30Hz、“正弦干擾信號(hào)相位”=0、“ 白噪聲幅值”=0。 ● 次數(shù) 2—只添加正弦干擾信號(hào) 由附錄中圖 618 的濾波效果演示圖可知該數(shù)字濾波器的濾波效果良好，消 增加到 ，信噪比有了非常大的提高，信號(hào)失真度也降到 小于 ，均達(dá)到了預(yù)期的要求。在“被測(cè)信號(hào)設(shè)置” 面板中設(shè)置“采樣點(diǎn)數(shù)”=204 “采樣頻率”=1000Hz，“有用信號(hào)幅值”=2V、“ 有用信號(hào)頻率”=50Hz、“有用信號(hào)相位”=0 度，其他參數(shù)按照表 44 所示參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。 （低截止頻率的顯示） （高截止頻率的顯示）圖 415 帶阻濾波器幅頻特性圖 由上圖可知，帶通濾波器的低截止頻率為 、高截止頻率為4 虛擬數(shù)字濾波器的調(diào)試及結(jié)果分析35，與設(shè)置的低截止頻率 29Hz、高截止頻率 31Hz 基本相符，可見(jiàn)該濾波器的帶阻功能的有效性。 圖 414 帶阻濾波器幅頻特性圖 帶阻濾波器的幅頻特性如圖 414 所示，f1 為低截止頻率、f2 為高截止頻率，設(shè)置濾波器的參數(shù)：濾波器類(lèi)型帶阻、濾波器階次 低截止頻率 29Hz、高截止頻率 31Hz。 濾波器參數(shù)修改前后，當(dāng)被測(cè)信號(hào)為“有用信號(hào)幅值”=2V、“有用信號(hào)頻率”=50Hz、“有用信號(hào)相位”=0、“正弦干擾信號(hào)幅值”=2V、“ 正弦干擾信號(hào)頻率”=10Hz、“正弦干擾信號(hào)相位”=0、“白噪聲幅值”=0 時(shí)，比較“濾波效果演示圖” ，“濾波前和濾波后信號(hào)幅頻特性圖以及消噪前后的信噪比和失真度，可以看出，西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）34低截止頻率高的高通濾波器，對(duì)低頻干擾信號(hào)的衰減作用比較強(qiáng)，濾波效果較好。 此時(shí)濾波器特性如圖 412 所示。 ● 次數(shù) 3—同時(shí)添加白噪聲干擾和正弦干擾信號(hào)由附錄中圖 615 的濾波效果演示圖可知該數(shù)字濾波器的濾波效果良好，消噪前 ，信噪比的絕對(duì)值大于為 大于 ，信號(hào)失真度也降到 小于 ，均達(dá)到了預(yù)期的要求。表 43 干擾信號(hào)參數(shù)設(shè)置次數(shù) 正旋干擾信號(hào)幅（V）正旋干擾信號(hào)頻率（Hz）正旋干擾信號(hào)相位（度） 白噪聲幅值（V） 1 0 0 0 2 2 2 10 0 0 3 2 10 0 2西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）32 添加干擾信號(hào)，觀察濾波效果并記錄如下： ● 次數(shù) 1—只添加白噪聲干擾 由附錄中圖 613 的濾波效果演示圖可知該數(shù)字濾波器的濾波效果良好，消噪前和消噪后的信噪比從 ，信噪比的絕對(duì)值有了很大的提高，信號(hào)失真度也降到 小于 ，均達(dá)到了預(yù)期的要求。 2) 不改變高通濾波器的參數(shù)設(shè)置，觀察濾波效果：添加干擾信號(hào)，觀察濾波效果。調(diào)整橫坐標(biāo)后，濾波器幅頻特性如圖 411 所示。 （3）高通濾波器：高通濾波器的參數(shù)定義，觀察“濾波器幅頻特性圖” 。此時(shí)濾波器幅頻特性圖如圖 48 所示： 圖 48 修改參數(shù)后低通濾波器幅頻特性圖 記錄濾波前和濾波后波形特性如圖 49：西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）30圖 49 修改參數(shù)后低通濾波器（添加正旋干擾）濾波效果演示比較濾波器參數(shù)修改前后的低通濾波器幅頻特性圖可以看出，濾波器的低截止頻率沒(méi)有明顯變化，但是高階低通濾波器的幅頻特性曲線下降比較平緩。 ● 次數(shù) 3—同時(shí)添加白噪聲干擾和正弦干擾信號(hào)由附錄中圖 612 的濾波效果演示圖可知該數(shù)字濾波器的濾波效果良好，消噪前 ，信噪比的絕對(duì)值有了較大的提高，信號(hào)失真度也降到 小于 1，均達(dá)到了預(yù)期的要求。表 42 干擾信號(hào)參數(shù)設(shè)置次數(shù) 正旋干擾信號(hào)幅（V）正旋干擾信號(hào)頻率（Hz）正旋干擾信號(hào)相位（度） 白噪聲幅值（V） 1 0 0 0 2 2 2 90 0 04 虛擬數(shù)字濾波器的調(diào)試及結(jié)果分析29 3 2 90 0 2 添加干擾信號(hào)，觀察濾波效果并記錄如下： ● 次數(shù) 1—只添加白噪聲干擾由附錄中圖 610 的濾波效果演示圖可知該數(shù)字濾波器的濾波效果良好，消噪前和消噪后的信噪比從 ，信噪比的絕對(duì)值有了很大的提高，信號(hào)失真度也降到 小于 1，均達(dá)到了預(yù)期的要求。 2）不改變低通濾波器的參數(shù)設(shè)置，觀察濾波效果添加干擾信號(hào)，觀察濾波效果。 圖 46 低通濾波器幅頻特性圖 低通濾波器的幅頻特性如圖 46 所示，f1 為低截止頻率，設(shè)置濾波器的參數(shù)：濾波器類(lèi)型低通、濾波器階次 1低截止頻率 70Hz、高截止頻率無(wú)效。 比較濾波器參數(shù)修改前后，當(dāng)被測(cè)信號(hào)為“有用信號(hào)幅值” ＝2V、“ 有用信號(hào)頻率”=50Hz、“有用信號(hào)相位”=0、“正弦干擾信號(hào)幅值”=2V、“正弦干擾信號(hào)頻率”=53Hz、“正弦干擾信號(hào)相位”=0、“白噪聲幅值”＝0 時(shí)，通過(guò)比較“ 濾波效果西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）28演示圖”，“濾波前和濾波后信號(hào)幅頻特性圖 ”以及濾波前后的信噪比和失真度，可以看出修改前的濾波效果較好，修改前通帶窄，高頻干擾信號(hào)衰減幅度大，消噪后的信噪比較高。 修改濾波器參數(shù)后，濾波器幅頻特性圖如圖 44 所示： 圖 44 修改參數(shù)后帶通濾波器幅頻特性 可以看出高截止頻率為 符合設(shè)定高截止頻率 52Hz 的要求（低截止頻率未修改）。 ● 次數(shù) 3—同時(shí)添加白噪聲信號(hào)和正弦干擾信號(hào) 由附錄中圖 69 中的濾波效果演示圖可知該數(shù)字濾波器的濾波效果良好， 增加到 ，信噪比有了非常大的提高，信號(hào)失真度也降到 小于 ，均達(dá)到了預(yù)期的要求。 表 41 干擾信號(hào)參數(shù)設(shè)置 次數(shù) 正旋干擾信號(hào)幅（V）正旋干擾信號(hào)頻率（Hz）正旋干擾信號(hào)相位（度） 白噪聲幅值（V） 1 0 0 0 2 2 2 53 0 03 2 53 0 2 添加干擾信號(hào)，觀察濾波效果并記錄如下(為了便于分析，將各干擾信號(hào)下的濾波效果演示圖的結(jié)果顯示如下，而其圖形置于附錄中）： ● 次數(shù) 1—只添加白噪聲 由附錄中圖 67 的濾波效果演示圖可知該數(shù)字濾波器的濾波效果良好，消噪前和消噪后的信噪比從 增加到 ，信噪比有了很大的提高，信號(hào)失真度也降到 小于 ，均達(dá)到了預(yù)期的要求。 2）不改變帶通濾波器的參數(shù)設(shè)置，觀察濾波效果：添加干擾信號(hào)，觀察濾波效果。 （1）帶通濾波器 帶通濾波器的參數(shù)定義，觀察“濾波器幅頻特性圖” 。 1．實(shí)驗(yàn)?zāi)康模? (1) 通過(guò)對(duì)巴特沃斯數(shù)字濾波器演示儀的使用練習(xí)，學(xué)習(xí)在演示儀上通過(guò)“ 濾波器參數(shù)設(shè)置” ，實(shí)現(xiàn)低通、高通、帶通、帶阻濾波器；西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）24 (2) 通過(guò)觀察“ 濾波效果演示圖 ”、“濾波前和濾波后信號(hào)幅頻特性圖”和“ 濾波器幅頻特性圖” 以及濾波前后的信噪比和失真度，了解濾波器的特性與功能并檢查實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否達(dá)到了預(yù)先的設(shè)計(jì)要求。失真度定義為信號(hào)中全部諧波分量的能量與基波能量之比的平方根值，失真度越小濾波效果越好。什么是信噪比，什么是失真度？信噪比就是有用與噪聲信號(hào)功率的的比值，通常用 SNR、S/N 表示，單位：分貝 dB。其程序框圖如圖 310 所示：3 基于 LabVIEW 的巴特沃斯數(shù)字濾波器演示儀的設(shè)計(jì)21圖 310 信號(hào)發(fā)生模塊的程序框圖 數(shù)字濾波模塊：用 LabVIEW 中的巴特沃斯濾波器間接地設(shè)計(jì) IIR 型數(shù)字濾波器。 ● 濾波后 X：濾波后的信號(hào)； ● 錯(cuò)誤：錯(cuò)誤信息； 由該濾波器的整體設(shè)計(jì)思路可知，該濾波器由信號(hào)發(fā)生模塊、數(shù)字濾波模塊、頻率響應(yīng)函數(shù)模塊 3 個(gè)模塊構(gòu)建而成。當(dāng)其為 FALSE，初態(tài)為 0，當(dāng)初始化/連續(xù)初始化為 TRUE，濾波器初態(tài)為上一次調(diào)用該 VI 的最后狀態(tài)。 ● Oder：濾波階次；大于 0 的整數(shù)，缺省值是 2。 ● 低截止頻率 fl；它必須滿足 Nyquist 準(zhǔn)則，即 0?fifs．如果該條件不滿足則輸出序列 濾波后 X 為空，并返回一個(gè)錯(cuò)誤。這樣我們就可以根據(jù)信號(hào)的頻率來(lái)確定采樣頻率，以保證信號(hào)的不失真?？梢愿鶕?jù)采樣間隔計(jì)算出采樣頻率：fs=l/Δt。 ● 采樣頻率 fs：產(chǎn)生 X 序列時(shí)的采樣頻率；它的高低直接影響到采集到的信號(hào)的復(fù)原性。 巴特沃斯濾波器的調(diào)用路徑是函數(shù)》信號(hào)處理》濾波器》巴特沃斯濾波器.vi，它的圖標(biāo)及輸入輸出端口參數(shù)如圖 39 所示： 西安交通大學(xué)城市學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）20圖 39Butterworth Filter．vi 輸入輸出端口參數(shù) Butterworth Filter．vi 的輸入輸出端口參數(shù)含義如下： ● 濾波類(lèi)型，如“ 低通濾波器 、 “高通濾波器”、 “帶通濾波器” 、 “帶阻濾波器等。 圖 38 濾 波 前 后 的 信 噪 比 和 失 真 度 的 顯 示 窗 本論文設(shè)計(jì)的濾波器是巴特沃斯(Butterworth)數(shù)字濾波演示儀，巴特沃斯濾波器是無(wú)限沖激響應(yīng)(IIR)濾波器設(shè)計(jì)的通用方法。 (cursor 的 具 體 使 用 方 法 見(jiàn) 附 錄 ) ● 濾 波 前 后 的 信 噪 比 和 失 真 度 濾 波 的 效 果 可 通 過(guò) 濾 波 前 后 的 信 噪 比 與 失 真 度 的 對(duì) 比 進(jìn) 行 定 量 判 斷 。 調(diào) 整 橫 坐 標(biāo) 后濾 波 器 的 幅 頻 特 性 如 圖 37 所 示 ：3 基于 LabVIEW 的巴特沃斯數(shù)字濾波器演示儀的設(shè)計(jì)19 圖 37 濾 波 器 的 幅 頻 特 性 圖 輸 入 頻 率 即 可 得 到 當(dāng) 前 的 幅 值 數(shù) 值 ， 數(shù) 值 單 位 由 “頻 譜 顯 示 模 式 ”確 定 。 “圖 形 顯 示 窗 口 ”顯 示 幅 頻 特 性 圖 ， 橫 坐 標(biāo) ： 頻 率 (Hz)、 縱 坐 標(biāo) ： 單 位 由 “頻 譜 顯 示 模 式 ”決 定 。 輸 入 控 制 類(lèi) 控 件 ： “頻 譜 顯 示 模 式 ”選 擇 縱 坐 標(biāo) 。 ● “濾 波 器 幅 頻 特 性 圖 ”—顯 示 濾 波 器 自 身 的 幅 頻 特 性 ： 通 過(guò) 求 巴 特 沃 斯 濾 波 器 的 單 位 沖 擊 響 應(yīng) 可 以 求 出 濾 波 器 自 身 的 頻 譜 特 性 ，如 圖 37“濾 波 器 幅 頻 特 性 圖 ”所 示 ?！皥D 形 顯 示 窗 口 ”中 顯 示 的 黃 色 的 線 是 cursor 工 具 ， 用 來(lái) 顯 示